為更好理解宇宙 科學家試圖在實驗室模擬「宇宙」

宇宙膨脹無法直接驗證，因此科學家希望在實驗室中進行模擬。

科學家希爾珂·魏因富特納（Silke Weinfurtner）正試圖從無到有地創造一個宇宙。在諾丁漢大學的一間物理實驗室里，她和同事們將共同研究一枚直徑一米的巨型超導磁線圈。線圈內部有一小池液體，液體泛起的微弱漣漪便代表了形成當今宇宙各類結構的物質波動現象。

魏因富特納並非什麼邪惡的天才，打定主意要創造一個由自己主宰的世界。她僅僅想更好地了解現存宇宙的起源。

目前為止，宇宙大爆炸是最為廣泛接受的宇宙起源理論，但即使是該理論的支持者，對爆炸發生的具體機制也難下定論。該理論的基礎是，宇宙起源時存在一個假象中的量子場，以極快的速度將宇宙朝各個方向延伸，即我們所說的宇宙膨脹。但我們無法直接證實這一量子場是否存在過。正因為如此，魏因富特納打算在實驗室中模擬這一過程。

如果大爆炸理論是正確的，那麼早期宇宙便產自微弱的「漣漪」，即所謂的「量子波動」。量子波動隨著宇宙膨脹得到拉伸，最終形成了物質、輻射或光。科學家認為，這些波動最終擴大到了宇宙級尺度，播下了星系、恆星和行星的種子。魏因富特納利用超大超導磁線圈想要模擬的正是這種微弱的漣漪。她在磁線圈內部放置了一個直徑6厘米的圓形容器，並注入水和丁醇（這兩種液體密度不同，因此會分層、而不會相融）。

接下來，該研究團隊將進行人工引力干預。「磁場的強度會隨位置變化。」該研究的共同作者之一、理查德·希爾（Richard Hill）指出，「我們將液體移至磁場的不同區域，有效引力便可隨之增強或減弱，甚至方向變得完全相反。」

該團隊希望通過改變引力、讓液體產生漣漪，但與池塘中的漣漪不同，這種漣漪會出現在兩種液體之間。「通過仔細調整漣漪的速度，我們便可建立一個膨脹宇宙的模型，」另一名團隊成員阿納斯塔西奧斯·阿弗古斯提蒂斯（Anastasios Avgoustidis）表示。在宇宙膨脹過程中，宇宙體積迅速擴張，物質漣漪以常速向外傳播。而在此次實驗中，液體體積不變，漣漪的傳播速度迅速衰減。「兩種情況下，描述漣漪傳播速度的等式一模一樣。」 阿弗古斯提蒂斯指出。

這一點很重要：如果這種波動似乎能激發與宇宙中類似的結構，我們也許便能對宇宙膨脹的機制多一分了解。

這並非科學家首次嘗試模擬小規模的宇宙現象。各國天體物理學家紛紛投身實驗室中，研究越來越複雜的實驗裝置，讓聲波模擬光波在強引力場中的傳播情況，或用磁鐵引發液體和氣體波動等。

去年六月，魏因富特納藉助一個中間有出水口的大水槽，模擬了另一種難以觀測的現象，即黑洞的超輻射。而在1981年，現任職於加拿大不列顛哥倫比亞大學的物理學家威廉·恩拉（William Unruh）最先提出了在實驗室中模擬引力的概念。畢竟正如恩拉所說：「我們無法讓時間倒流、回到宇宙剛剛形成的時候，就算我們能做到，也沒人能活那麼久。」

自恩拉的首次實驗以來，模擬引力實驗變得日益複雜。恩拉當時用液體模擬引力，認為這種「聲學黑洞」事件邊界對聲音的影響就相當於真正的黑洞對光線的影響。換句話說，我們在實驗室中的測量與表達結果可以用於探索真正的黑洞特性。就連著名的霍金輻射也可通過這種方法進行研究。霍金輻射是指，黑洞會不斷向外輻射熱量，最終徹底蒸發。幾年前，以色列理工學院的傑夫·施泰因豪爾（Jeff Steinhauer）發現了霍金輻射的聲學類似物。

科學家還利用模擬手段研究了宇宙膨脹的其它方面。幾年前，由法國國家科學研究中心的克里斯托弗·韋斯特布魯克（Christoph Westbrook）帶領的研究團隊通過「扭動」環狀玻色·愛因斯坦凝聚態物質，分析了量子粒子的形成過程。在宇宙膨脹過程中，宇宙溫度先是急劇下降，膨脹終止後再開始所謂的「重加熱」過程，溫度重新升高，隨即進入正常的大爆炸擴張期。

去年十月，由美國國家標準技術研究所和馬里蘭大學共同成立的聯合量子研究所同樣利用玻色·愛因斯坦凝聚態觀察了聲波的拉伸，這類似於宇宙膨脹時的光線紅移現象。該團隊由物理學家史蒂芬·埃克爾（Stephen Eckel）帶領。除聲波拉伸現象外，他們還觀察到了類似「重加熱」過程的效應。

魏因富特納表示，她的「全新」裝置不需要藉助玻色·愛因斯坦凝聚態物質。雖然恩拉認為，這將意味著系統溫度過高、無法直接觀察到量子波動現象。但該研究作者們指出，他們可以通過系統中的熱雜訊觀察波動，因為熱雜訊便是量子雜訊的類似物。

研究作者們表示，他們的方法能夠模擬長期擴張，用專業用語表達，便是能達到「多個e-折時間」（一種用于衡量膨脹時間長短的參數）。研究人員認為，僅僅毫秒之間，宇宙便擴張到了原先的1026倍，或者說超過60個e折。這項新實驗若能成功，模擬膨脹的時間將遠超此前實驗，「足以得出確鑿無疑的結論」。紐卡斯爾大學的伊安·莫斯（Ian Moss）表示，「你需要給系統安排一些額外的時間，讓系統忘掉原始狀態，並充分適應膨脹波動期的狀態。」

「他們也許能發現新的物理理論，對今後的宇宙模型有所啟發。」埃克爾指出，「或者反過來檢驗未來宇宙模型的正確性。」

不過，並非所有人都相信，在實驗室中模擬宇宙誕生初期的情況有助於發展宇宙學。馬里蘭大學的泰德·雅各布森（Ted Jacobson）認為，此類實驗「無法有效驗證我們不確定的理論，而更偏重在實驗室中實施和觀察。」為什麼要在實驗室中模擬宇宙呢？「因為這很有趣，而且也許暗含著某些宇宙學新現象。」

但哈佛大學天體物理學家阿維·勒伊布（Avi Loeb）則沒有這麼樂觀。他認為魏因富特納用兩種液體之間的漣漪所做的類比無法擴展到量子波動的「物理本質」，因為該實驗僅僅相當於把物理學家用來描述宇宙膨脹的等式重新推導了一遍。假如這些等式缺少了關鍵一環，該實驗也無法發現這一點。「雖然實驗室中開展的類比實驗能表現出量子力學效應，但無法體現出黑洞和宇宙膨脹所涉及的量子力學與引力間的相互作用。

勒伊布補充道，魏因富特納的實驗是為了重演我們對宇宙膨脹的已有認知而設的，而不是為了對其進行檢驗。「除非我們在某個系統中出現了計算錯誤，才能發現實驗與已有認知之間存在差別，否則根本無法從實驗中學到新東西。」

勒伊布認為，唯有在實驗室中創造出了推動宇宙膨脹的物質，才算是真正的檢驗。但這一做法所需的能量高達目前最強粒子加速器所能達到最高能量的一萬億倍。因此這種實驗在短期內似乎無法實現。

「這就像聞聞食物的香味、但並不真的享用美食，」他指出，而只有「後者才具有實際價值。」

的確如此。但有時聞聞從廚房裡飄出的香味，你就能猜到今晚吃什麼。（葉子）

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